WiMAX技术及其用户台芯片设计分析

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摘要:本文对WiMAX 关键技术进行了介绍，对WiMAX 用户台芯片的设计技术进行了分析，并给出了WiMAX 用户台芯片的功能框图。
1 引言
WiMAX 是一种新兴的无线标准，旨在为固定和移动无线网络提供高速宽带连接，它采用IEEE802.16 标准，是一种功能强大的无线技术，将是固定电话运营商还击移动通讯运营商的有力武器。WiMAX 还得到了诺基亚公司的支持，它能够在50公里的半径内提供高速的无线数据服务。WiMAX 相对于Wi-Fi 的优势主要体现在Wi-Fi 解决的是无线局域网的接入问题，而WiMAX 解决的是无线城域网的问题。Wi-Fi 只能把互联网的连接信号传送到300英尺远的地方，WiMAX 则能把信号传送31 英里之远。Wi-Fi 网络连接速度为每秒54 兆，而WiMAX 为每秒70 兆。有专家认为，WiMAX 的覆盖范围和传输速度将对3G 构成威胁。在成本等各个方面的优势使得业内人士将WiMAX 技术看作是一项打破产业格局的技术。
2 WiMAX 技术分析
2.1 WiMAX 的关键技术— OFDM
正交频分多路复用（OFDM）是一种多载波数字调制技术，其研究历史可以追溯到20 世纪60 年代中期，虽然OFDM 的概念已经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体业务的发展，它才被人们认识到是一种高速双向无线数据通信的良好方法。该技术被欧洲的数字电视标准DVB-T和数字音频广播（DAB）)标准所采纳，目前已经做为WLAN（ETSI Hiperlan/2 和IEEE802.11a）和宽带无线接入（IEEE 802.16）的核心技术。随着DSP 芯片技术的发展，傅立叶变换/ 反变换、高速Modem 采用的64/128/256QAM 技术、珊格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟的技术逐步引入到移动通信领域中来，人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第四代移动通信的主流技术也将是OFDM 技术。
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM实现的关键技术：保护间隔（循环前缀/ 后缀）、同步技术、训练序列/ 导频及信道估计技术、峰均功率比控制、信道编码和交织技术、均衡技术等。OFDM传输系统的基本原理框图如图1 所示：

图1 OFDM 传输系统的基本原理框图

2.2 OFDMA 技术及产品
目前比较成熟的固定无线接入与移动无线接入等技术相比具有很大优势。
（1）提高了系统容量
由于OFDMA 技术是将宽的带宽资源分成若干个子载波，因此，它不在受所占用的频率资源限制，例如：Wi-Lan 公司以3.5MHz 频率资源为基础，BROADSTORM公司以5MHz 频率资源为基础，Wi-dax 公司以6MHz 和8MHz频率资源为基础，而Malibu公司则以20MHz 频率资源为基础开发产品。该试验产品从频域、时域和调制几个方面提高频率利用率：
基于该技术的产品是将宽的带宽资源划分为若干个子载波，用户选择使用无线性能良好的子载波，当多用户接入时，不同终端所在位置无线传送特性差别很大，各个终端可以互补使用子载波，达到所有子载波都得到有效应用。 对于低速率信号来说，如话音业务，即使采用单子载波通信也不能充分利用频率资源，因此采用时分复用方式，多个低速信号在不同的时隙公用相同的子载波。
（2）降低了成本
与CDMA技术相比，由于采用OFDMA 技术，用户可以在通信质量好的子信道上发送信号，避免了信道均衡和RAKE 接收机等复杂的信号处理，从而降低了成本。
（3 ）扩大了覆盖范围
由于OFDMA 技术对多径信号比较强的处理能力，因此对中心基站和用户端站之间不要求完全视通，因此扩大了覆盖范围，提高了覆盖质量。基于OFDMA 技术的产品，用户端站选择无线性能好的子信道集中发送功率通信，而不再像其它接入方式在整个频带内发送，因此扩大了覆盖范围。
（4 ）应用前景
从系统无线性能等方面考察，与3GPP 提出的指标相比，性能已经优于3GPP的要求，因此从组网角度考虑，在3GPP中，FDD和TDD系统之间以及不同运营商的系统间应该保留多大保护带宽等复杂的问题，在该系统中将会变得更容易。
3 WiMAX 用户台芯片设计
目前WiMAX 用户台芯片还没有哪家公司量产。WiMAX 用户台的套片实现框图如图2 所示：

图2 WiMAX 用户台的实现框图

WiMAX 用户台套片主要由模拟前端、PHY/MAC 基带处理等芯片组成。左上角为模拟前端芯片，其它部分为PHY/MAC 基带处理芯片。WiMAX 用户台PHY/MAC 基带处理芯片的体系结构将是CPU＋DSP 的双核结构。WiMAX 用户台PHY/MAC基带处理芯片的组成部分如图3 所示。

图3 WiMAX 用户台PHY/MAC 基带处理芯片的组成部分

其中PHY 部分的功能框图如图4 所示：

图4 PHY 的功能框图

4 结束语
WiMAX技术由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越得到人们的关注，随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，WiMAX 技术在固定无线接入领域和移动接入领域将越来越得到广泛的应用。加强对WiMAX及其用户台芯片的设计技术研究，开发出具有自主知识产权的芯片对我国移动终端事业的发展具有特别重要的意义。

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